CN105126755A - 一种新型磁性活性碳及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种新型磁性活性碳及其制备方法，所述新型磁性活性炭为粉末活性炭（PAC）和纳米铁氧化物（Fe₃O₄）的复合材料。采用化学共沉法，在Fe³⁺/Fe²⁺(摩尔比)=2反应体系中以粉末活性炭为载体通过投加碱液介质完成反应；通过控制PAC投加量调整磁性活性炭中PAC/铁氧化物的比值，以优化材料的性能，该制备方法具有操作简单、快速、可大批量生产、重现性好等优点。所述新型磁性活性炭具有的吸附量大、易于分离回收、易再生、重复利用效果好等性能，很好地解决了常规PAC与处理后废水分离难度大、易流失、不可再生、处理成本高的弊端，还能通过投加H₂O₂简单有效地得到再生，从而降低吸附工艺的处理成本，增强其在实际工程中应用的可行性以及市场竞争力。

Description

一种新型磁性活性碳及其制备方法

技术领域

本发明涉及水处理领域，尤其涉及磁性活性炭及其制备方法。

技术背景

随着活性炭处理技术的成熟，活性炭工艺作为能够去除多种污染物的水处理技术在诸多领域得到广泛应用，人们常把这种方法作为解决各类污水问题（如印染废水）通用的处理方法。活性炭按其尺寸大小可分为粉末活性炭（PAC）和颗粒活性炭（GAC）两大类，粉末活性炭因其粒径小、比表面积大等特点对目标污染物具有很好的吸附性能，但同时存在着比重轻、难以与处理后水分离、易流失、不可回收、处理成本高的缺点。粉末活性炭在我国几乎都是一次性使用的，通常会结合其他工艺（如混凝、活性污泥法）运行以强化处理效果，产生的污泥再生难度大，吸附质成分复杂，未经妥善处理而简易填埋、随意堆放，会对环境造成严重污染，且是极大的资源浪费。

因此，尽管粉末活性炭的处理效能较好，但考虑经济成本问题时它的使用会受到一定限制。随着人们对活性炭的使用需求的上升，粉末活性炭的活化、再生以及难分离等问题也日益引起了人们的关注。已有研究证明，活性炭和其它吸附材料可通过改性研究使它们具备更好的使用性能，包括吸附性能、可回收再利用性能等。针对活性炭改性的方式包括表面物理结构改性、表面化学性质改性（表面氧化改性和表面还原改性）、负载物质改性、低温等离子体改性、酸碱改性、电化学性质的改性等类型。近年来，通过在吸附材料上负载磁纳米物质以改善合成材料的吸附性能及磁分离特性是其中的解决途径之一，但往往存在制备条件复杂、难以实现大批量生产等问题，另外，如何实现吸附材料简单、有效的再生手段也是吸附材料改进过程中的要点。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种处理后易于与水分离、不流失、可回收、处理成本低的新型磁性活性炭及其制备方法。

为实现本发明目的，提供了以下技术方案：一种新型磁性活性炭，其特征在于为粉末活性炭：PAC和纳米铁氧化物：Fe₃O₄的复合材料。该合成材料其特征在于PAC上负载的铁氧化物为磁性Fe₃O₄，负载前后PAC表面性质发生了明显变化，Fe₃O₄在PAC表面均匀分布形成了类似小球状的颗粒物，但对PAC的内部孔隙结构没有造成太大的影响。该制备方法具有简单、快速、重现性好等优点。

作为优选，PAC/Fe₃O₄的质量比为1。控制复合材料中PAC/Fe₃O₄的质量比为1，磁性活性炭较纯PAC对亚甲基蓝的饱和吸附量提高10%，但随着Fe₃O₄/PAC复合比例的进一步提升，磁性活性炭对亚甲基蓝的饱和吸附量下降，其原因在于复合材料中Fe₃O₄/PAC的比例过高，可能导致PAC的部分吸附点位被Fe₃O₄堵住，从而影响了PAC对目标污染物的吸附。

为实现本发明目的，还提供了一种新型磁性活性炭的制备方法，其特征在于采用化学共沉法，在Fe³⁺/Fe²⁺(摩尔比)=2反应体系中以粉末活性炭为载体通过投加碱液介质完成反应；

所述Fe³⁺/Fe²⁺(摩尔比)=2反应体系为FeCl3/FeSO4(摩尔比)=2或FeCl3/FeCl2(摩尔比)=2；

所述碱液介质为NaOH；

粉末活性炭为PAC。

作为优选，化学共沉法具体步骤为：

a.将PAC在100℃的温度下，烘箱内烘干24h；

b.将400mLFeCl3（7.8g，28mmol）、FeSO4（3.9g，14mmol）或400mLFeCl3（7.8g，28mmol）、FeCl2（2.8g，14mmol）溶液在50℃的温度下混合，往混合溶液里投加一定量的PAC以控制复合材料中PAC/Fe₃O₄的比例，并持续搅拌，然后往混合液中滴加NaOH溶液（100ml，4mol/l，10min），反应20min；

c.反应结束后混合液静置沉淀30min，去掉上清液，剩余混合液放烘箱过夜烘干；

d.取出材料，将其充分搅碎，用超纯水反复冲洗磁力回收至上清液中性；

e.所得材料放入烘箱烘干至恒重，密封保存。

本发明有益效果：PAC/Fe₃O₄的质量比为1时，磁性活性炭较纯PAC对亚甲基蓝的饱和吸附量提高10%；另一方面，负载磁性纳米Fe₃O₄的磁性活性炭与处理水的分离可回收性能较纯PAC有显著改善，该复合材料在自然重力沉降条件下10min内沉淀完全，利用其磁性特性，在外磁场作用下30s内可实现快速分离。并且，利用磁纳米Fe₃O₄的催化性能，可通过在投加H₂O₂使磁性活性炭有效地得到再生，材料3次重复使用效果基本维持不变。反应体系整个过程中没有产生额外的铁泥，并且复合材料很容易实现回收再生，重复利用效果好。

该新型磁性活性炭具备的特性很好地解决了常规PAC与处理后废水分离难度大、易流失、无法再生、处理成本高的弊端，有效降低PAC吸附工艺的处理成本，增强了其在实际工程中应用的可行性以及市场竞争力。

附图说明

图1为现有技术的粉末活性炭的FESEM图。

图2为本发明磁性活性炭的FESEM图。

图3为本发明与现有技术对亚甲基蓝的燃料去除率对比图。

图4为本发明与现有技术对亚甲基蓝的COD去除率对比图。

图5为本发明磁性活性炭对亚甲基蓝吸附的重复使用效果图。

具体实施方式

实施例1：一种新型磁性活性炭，为粉末活性炭：PAC和纳米铁氧化物：Fe₃O₄的复合材料。PAC/Fe₃O₄的质量比为1。

一种新型磁性活性炭的制备方法，采用化学共沉法，在Fe³⁺/Fe²⁺(摩尔比)=2反应体系中以粉末活性炭为载体通过投加碱液介质完成反应；

所述Fe³⁺/Fe²⁺(摩尔比)=2反应体系为FeCl3/FeSO4(摩尔比)=2或FeCl3/FeCl2(摩尔比)=2；

所述碱液介质为NaOH；

粉末活性炭为PAC。

化学共沉法具体步骤为：一、PAC在100℃的温度下，烘箱内烘干24h；二、将400mLFeCl3（7.8g，28mmol），FeSO4（3.9g，14mmol）或FeCl2（2.8g，14mmol）溶液在50℃的温度下混合，往混合溶液里投加一定量的PAC以控制复合材料中PAC/Fe₃O₄的比例，并持续搅拌，然后往混合液中滴加NaOH溶液（100ml，4mol/l，10min），反应20min。反应结束后混合液静置沉淀30min，去掉上清液，剩余混合液放烘箱过夜烘干；三、取出材料，将其充分搅碎，用超纯水反复冲洗磁力回收至上清液中性；四、所得材料放入烘箱烘干至恒重，密封保存。该制备方法具有操作简单、快速、可大批量生产、重现性好等优点。合成后的磁性活性炭较负载前PAC表面性质发生了明显变化，Fe₃O₄在PAC表面均匀分布形成了类似小球状的颗粒物如图2所示，但对PAC的内部孔隙结构没有造成太大的影响，如表1所示。

表1负载前后材料的平均孔径：

样品	平均孔径/nm
		PAC	5.06
磁性活性炭	4.98

本发明新型磁性活性炭的性能测定：

一、在恒温条件下，准确量取一定量含亚甲基蓝的染料标准储备液（10g/L）于1000mL烧杯中，加入高纯水配制500mL浓度为250mg/L的模拟染料废水，分别投加0.3g吸附材料，控制水温为20℃，调节pH至9，置于恒温水浴锅中机械搅拌，定时取样测定水样的COD和染料浓度。二、每一周期实验结束时，采用钕铁硼磁铁将磁性活性炭分离回收，投加一定量的H₂O₂调至pH=3进行再生反应后用超纯水适当清洗磁性活性炭，将其用于下一周期反应，每一周期反应结束时的出水COD及染料浓度，考察材料重复回收利用效果。

Claims (4)

1.一种新型磁性活性炭，其特征在于为粉末活性炭：PAC和纳米铁氧化物：Fe₃O₄的复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种新型磁性活性炭，其特征在于PAC/Fe₃O₄的质量比为1。

3.一种如权利要求1或2所述的新型磁性活性炭的制备方法，其特征在于采用化学共沉法，在Fe³⁺/Fe²⁺(摩尔比)=2反应体系中以粉末活性炭为载体通过投加碱液介质完成反应；

所述Fe³⁺/Fe²⁺(摩尔比)=2反应体系为FeCl3/FeSO4(摩尔比)=2或FeCl3/FeCl2(摩尔比)=2；

所述碱液介质为NaOH；

粉末活性炭为PAC。

4.根据权利要求3所述的一种新型磁性活性炭的制备方法，其特征在于化学共沉法具体步骤为：

a.将PAC在100℃的温度下，烘箱内烘干24h；

b.将400mLFeCl3（7.8g，28mmol）、FeSO4（3.9g，14mmol）或400mLFeCl3（7.8g，28mmol）、FeCl2（2.8g，14mmol）溶液在50℃的温度下混合，往混合溶液里投加一定量的PAC以控制复合材料中PAC/Fe₃O₄的比例，并持续搅拌，然后往混合液中滴加NaOH溶液（100ml，4mol/l，10min），反应20min；

c.反应结束后混合液静置沉淀30min，去掉上清液，剩余混合液放烘箱过夜烘干；

d.取出材料，将其充分搅碎，用超纯水反复冲洗磁力回收至上清液中性；

e.所得材料放入烘箱烘干至恒重，密封保存。